CN114618600B - 微流控离心盘 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物医学技术领域，具体涉及一种微流控离心盘，该离心盘包括底板和与底板相配合的盖板，底板和盖板上均周向设置有分离反应单元，分离反应单元包括相间设置的分离区和反应区，分离区包括分离池和血细胞池，反应区包括反应池和废液池，底板的分离池、血细胞池、反应池和废液池均为下沉式结构；盖板的分离池、血细胞池、反应池、废液池以及通道的外周均设置有凸起以与底板配合；盖板的反应池和盖板的废液池之间的通道上设置有第一挡板，第一挡板中设置有非直线形连通流道；盖板的分离池和盖板的反应池中均开设有通孔。本发明通过底板和盖板的结构优化和表面改性实现了微流控离心盘精准高效地采样、预处理、混合、加样、分离和检测等流程。

Description

微流控离心盘

技术领域

本发明属于生物医学技术领域，具体涉及一种利用离心力驱动的微流控方法将血液进行血浆和血细胞分离之后取得血浆，同时能将分离的血浆进行化学发光免疫分析的CD盘式微流控离心盘。

背景技术

微流控是指使用数十到数百微米的管道处理或操纵微流体的技术，该技术涉及化学、流体物理、微电子、新材料、生物学和生物医学工程。

化学发光免疫分析(chemiluminescence immunoassay，CLIA)是将具有高灵敏度的化学发光测定技术与高特异性的免疫反应相结合，用于各种抗原、半抗原、抗体、激素、酶和药物等的检测分析技术。

离心微流控是以微机电技术为依托，将化学分析的采样、预处理、衍化、混合及检测等过程中涉及的阀、流动管道、混合反应器、加样、分离、检测等部件集成到CD形状的盘片上，以离心力为液流的驱动力，实现对液流检测分析的微流控体系。利用离心转速控制的原理，便可以通过程序轻易的控制实验的操作流程，对于检测人员只需要加入试剂，运行程序，便可以完成整个实验的流程得到实验结果。

在微流控盘的设计中，现有技术中通常是依据检验项目的不同（有单组份，双组份，多组份等），设计每种检验项目配套的微流控盘，造成设计和制作成本上升，同时用户在使用的时候要挑选配套的盘，这给用户带来了一定的技术要求。为此设计一个全血通用型的化学发光盘片，用以解决由于组份不同、步骤不同（一步法，两步法多步法等）需要配不同微流控盘的问题则尤为必要。

发明内容

为了克服现有的微流控盘配套复杂、检测麻烦、检测结果难以保证一致性的不足，本发明提供一种微流控离心盘，该微流控离心盘不仅能全血通用，且尽量达到了接近大发光检验仪每次反应同样数量级的样本的和试剂用量，能仅通过相应的控制程序便可以完成整个流程得到结果。

本发明提供的微流控离心盘包括底板和与底板相配合的盖板，所述底板和盖板的中心设置有与离心转盘相匹配的安装通孔。所述底板和盖板上均周向设置有分离反应单元，所述分离反应单元包括相间设置的分离区和反应区，分离区包括分离池和血细胞池，分离池和血细胞池之间设置有通道，反应区包括反应池和废液池，反应池和废液池之间设置有通道，分离池和反应池靠近底板和盖板的中心，血细胞池和废液池远离底板和盖板的中心；

底板的分离反应单元为下沉式结构，即底板的分离池、血细胞池、反应池和废液池的上平面均低于底板的上平面。

盖板的反应分离单元用以实现对底板的密封，盖板上对应底板的反应分离单元处设置有凸起，这些凸起的边缘配合底板上分离池、血细胞池、反应池和废液池的边缘，达到一定的密封效果，同时在盖板的凸起之外涂胶液，利用凸起的高度可以有效地将胶液阻挡在池外，即凸起的设置有效解决解决使用中底板和盖板中可能存在缝隙使反应溶液漏出的问题，以及涂胶时胶液可能进入流道引起堵塞或进入底板池内引起反应误差的问题。同时，微流控盘面尺寸较大，在进行离心分离或反应时盘内会产生很大的压强，传统用两个平面贴合来进行密闭的方法很难满足实际使用时的密闭要求，从而使两块平面板之间产生气泡或缝隙而导致漏液，采用底板轮廓包住盖板凸起轮廓的方法可以很容易地满足微流控盘使用时地密封性要求。具体的，盖板的分离池、血细胞池、反应池、废液池、以及通道的外周均设置有凸起，盖板的血细胞池、反应池、废液池以及盖板的分离池和血细胞池之间的通道的上平面均与盖板的上平面齐平，盖板的分离池的上平面低于盖板的上平面，盖板的反应池和盖板的废液池之间的通道上设置有第一挡板，第一挡板中设置有非直线形连通流道。盖板的分离池和盖板的反应池中均开设有通孔，该通孔用于分别向分离池和反应池注入或取出液体。

本发明设计有专门的全血分离池，与化学发光检测所需的反应池以及废液池物理隔离。此部分设计是为了在进行全血分离这一步骤时，可以用1500转每分钟的高转速进行全血分离，而不必担心在此转速下离心力过大使全血混入到化学发光检所需的反应池或者废液池中去，保证高转速的分离效果。

本发明为了解决全血分离中可能存在的血浆与血细胞分离后再次混合的问题，同时为了保证分离后所需血清的纯度和降低混入血细胞对检测结果的干扰，底板的分离池和底板的血细胞池之间的通道上设置有第二挡板，底板的反应池和底板的废液池之间的通道上设置有第三挡板，所述第二挡板和第三挡板的上平面低于底板的上平面；第二挡板的设置用以实现在分离时血细胞能顺利地进入血细胞池，同时在分离结束后血浆能通过第二挡板而血细胞被第二挡板阻挡在血细胞池内。

另外，盖板的血细胞池中设置有弧形挡块，挡块的弧形凹面朝向分离池。该挡块与第二挡板共同作用，保证了分离时血细胞能顺利地进入血细胞池，同时在分离结束后，血浆能通过第二挡板而血细胞被第二挡板阻挡在血细胞池内。

为保证分离后血浆在分离池内的位置可以实现高效迅速地取出分离后的血浆，本发明对微流控离心盘中的底板的血细胞池的容积控制在底板的分离池的容积的二分之一以下，保证分离后的血浆不会过多地留在血细胞池内而不回流。

另外，本发明的底板的分离池底部为斜面，底板的分离池底部朝向底板中心的一端低于远离底板中心的一端，使分离后的血浆能通过斜面更容易地从第二挡板上流至底板的分离池的最底部以方便采集。

现有的微流控盘大多采用疏水性质的材质，这样使得注液自动化时难以注满盘内空间，造成测量误差和资源浪费。本发明对底板分离池使用聚多巴胺进行亲水改性，使分离池的亲水性远大于血细胞池，以保证分离后的血浆能更迅速地从挡板上流回。

为保证液体注入和取出的流畅性，以及解决在本发明相配套使用的机器中针头对孔难的问题，本发明微流控离心盘的注液孔和取液孔统一为直径3mm的通孔，使相配套的机器中针头对孔的容错率更高，同时可以解决因为气压不平衡造成的注液难和取液不流畅的问题。

为保证微流控离心盘在转速500转每分钟的条件下反应池内的反应物充分反应而不被甩至废液池中，同时离心盘在转速达到1500转每分钟时反应池内的反应物可以完全被甩至废液池中而不余留，本发明将反应池设计为圆形，使得在旋转时反应池内的反应物更容易混合。同时将盖板的反应池与废液池之间的连通流道设计成一个“N”字形，使得连通流道内有一定的阻力，可以满足微流控离心盘在转速500转每分钟的条件下反应池内的反应物充分反应而不被甩至废液池中，而连通流道内的阻力无法阻挡离心盘在转速达到1500转每分钟时反应池内的反应物完全被甩至废液池中，使得旋转完之后反应池内不再留有反应物。

传统微流控做化学发光项目大多一直存在一个CV值非常差的问题，产生这个问题的根本原因在于传统微流控做化学发光的微流控盘的设计总是把样本量做到10ul以内，而化学发光后续要经过4次磁分离清洗，最后的采光也是所有磁珠的总光强，如果样本量太低则操作步骤中所存在微小的样本量随机损失则对最终的测试结果造成大的偏差。为了提高反应的CV值，接近大发光检验仪每次反应同样数量级的样本的和试剂用量，本发明将微流控盘的底板的分离池的容积设置为200ul，底板的反应池的容积为500ul，底板的废液池的容积大于1000ul。在这样的容积设计下，每一个分离池内可以注入200ul的全血，在经过离心分离之后每个分离池内至少可以得到50ul的血浆用于化学发光检测，以此来保证样本量，从而保证反应的CV值。

另外，本发明所述盖板的分离反应单元外周设置有密封环，底板的分离反应单元外周设置有凹槽，所述密封环和凹槽相匹配。本发明还将微流控离心盘的底板和盖板的厚度设置为4mm。

本发明的有益效果为：

本发明通过底板和盖板的结构设计和底板分离池的表面改性及分离反应单元的优化使微流控离心盘实现了全血分离，血清精准采样，血清与试剂混匀，孵育和磁分离功能。解决了微流控盘用于化学发光检测当中所存在的全血分离不充分，磁分离磁珠损失，检验结果的CV值大的关键技术问题。

附图说明

图1为本发明微流控离心盘的底板的结构示意图；

图2为图1中A处的放大图；

图3为本发明微流控离心盘的盖板的结构示意图；

图4为图3中B处的放大图；

图5为本发明微流控离心盘的结构示意图一；

图6为本发明微流控离心盘的结构示意图二（图中的盖板为部分结构）。

图7为图6中C处放大图。

附图中，0为安装通孔，1为底板，2为盖板，3为分离池，4为血细胞池，41为挡块，5为反应池，6为废液池，7为通孔，8为第一挡板，81为连通流道，9为第二挡板，10为第三档板，11为密封环，12为凸起。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明进行更加详细的说明，以便于对本发明技术方案的理解，但并不用于对本发明保护范围的限制。

本实施例中，底板1的上平面和盖板2的上平面均为底板1和盖板2的分离反应单元所处的平面。

本实施例的微流控离心盘，包括底板1和与底板1相配合的盖板2，底板1和盖板2的厚度设置为4mm，4mm的盖板2可以使通孔7的深度不至于太深，更有利于针管定位和输液取液，同时4mm可以保证盖板2的强度足够，不至于在与底板1配合时发生形变而产生间隙。另外，4mm底板1可以保证各个池的容积大小。盖板和底板统一为4mm使二者后续的流水加工更加标准和便捷。所述底板1和盖板2中心设置有与离心机的离心转盘相匹配的安装通孔0。所述底板1和盖板2上均周向设置有分离反应单元，所述分离反应单元包括相间设置的分离区和反应区，分离区包括分离池3和血细胞池4，反应区包括反应池5和废液池6，反应池5为圆形，所述分离池3和血细胞池4之间、以及反应池5和废液池6之间均设置有通道，分离池3和反应池5靠近底板1和盖板2的中心，血细胞池4和废液池6远离底板1和盖板2的中心。

所述底板1的分离池3、血细胞池4、反应池5和废液池6的上平面均低于底板1的上平面；底板1的血细胞池4的容积为底板1的分离池3的容积的二分之一以下所述底板1的分离池3的容积设置为200ul，底板1的反应池3的容积设置为500ul，另外，底板1的废液池6容积大于1000ul。。因为分离后所需的血浆占原全血的55%～60%，底板1的血细胞池4的容积为底板1的分离池3的容积的二分之一以下可以确保血液在分离之后血浆尽可能多的留在分离池3内，不会因血细胞池4容积太大而导致血浆损耗过多。

底板1的分离池3底部为斜面，底板1的分离池3底部朝向底板1中心的一端低于远离底板1中心的一端。底板1的分离池3使用聚多巴胺进行亲水改性。

盖板2的分离池3、血细胞池4、反应池5、废液池6以及通道的外周均设置有凸起12，在盖板2的凸起12之外涂胶液，利用凸起12的高度可以有效地将胶液阻挡在池外，即凸起12的设置有效解决解决使用中底板1和盖板2中可能存在缝隙使反应溶液漏出的问题，以及涂胶时胶液可能进入流道引起堵塞或进入底板1的池内引起反应误差的问题。本实施例所选的胶为无影胶，无影胶利用紫光灯照射才会凝固，此特性也有利于在粘胶涂抹之后再使底板和盖板配合，达到密封的效果。本实施例中，盖板2上的所有凸起12高度统一为0.5mm，使整个流水加工更便捷。

盖板2的血细胞池4、反应池5、废液池6以及盖板2的分离池3和血细胞池4之间的通道的上平面均与盖板2的上平面齐平，盖板2的分离池3的上平面低于盖板2的上平面；盖板2的反应池5和盖板2的废液池6之间的通道上设置有第一挡板8，第一挡板8中设置有非直线形连通流道81，具体的，本实施例中的连通流道81为N字形。

所述底板1的分离池3和底板1的血细胞池4之间的通道上设置有第二挡板9，底板1的反应池5和底板1的废液池6之间的通道上设置有第三挡板10，所述第二挡板9和第三挡板10的上平面低于底板1的上平面。第二挡板9的上表面与血细胞池4的底部之间的高度差为0.9mm，第二挡板9上表面与底板1上平面之间的高度差为0.6mm，由于盖板2的分离池3和血细胞池4之间的通道的上平面与盖板2的上平面齐平，因此，盖板2与底板1扣合后，底板1的第二挡板9与盖板2之间的空隙形成流道。第三挡板10的上表面与废液池6上表面之间的垂直高度为2.5mm，第一挡板8的高度等于第三挡板10和底板1上平面之间的高度差，第三挡板10的高度设置是为了使底板1和盖板2配合后，样品可以从连通流道81中通过。

第二挡板9、第三挡板10的高度设置具有较好的效果，高度优化过程如下：

优化第二挡板9高度时，对同一微流控盘底板1的不同组分离池3和血细胞池4之间第二挡板9上表面到底板1上平面垂直高度设置为0.4mm～2.4mm（高度变化梯度为0.2mm），在每个分离池内分别加入同为200μl的同一批次全血，在2500转每分钟的转速下进行全血分离实验。实验结果发现，第二挡板9上表面到底板1上平面高度差为1.8mm～2.4mm时，全血分离后血细胞和血浆分离后迅速混合，此时的挡板完全不能起到作用；而第二挡板9上表面到底板1上平面高度差为0.4mm时，全血分离的效果较差，血细胞和血浆不能做到完全分离；第二挡板9上表面到底板1上平面高度差为0.6mm～1.6mm时，挡板均能做到在2500转每分钟的转速下使血细胞和血浆较为成功地分离，且同时能保证在分离后的20分钟内，分离之后的血细胞和血浆不会相互混合。为方便后续实验确定血细胞池4的体积以达到最佳的血浆提取效果，最终选择第二挡板9上表面到底板1上平面高度差为0.6mm，并通过改变血细胞池4的深度来改变血细胞池4的体积。

将同一微流控盘底板1的不同组分离池3和血细胞池4之间血细胞池4的底部到第二挡板9的上表面的垂直高度设置为0.4mm～2.4mm（高度变化梯度为0.2mm），在每个分离池内分别加入同为200μl的同一批次全血，在2500转每分钟的转速下进行全血分离实验。实验发现，当血细胞池4的底部到第二挡板9的上表面的垂直高度分别为0.4mm～0.6mm时，提取全血分离后的血浆会有血细胞在其中参杂。当血细胞池4的底部到第二挡板9的上表面的垂直高度为1.2mm～2.4mm时，提取全血分离后的血浆时无法均匀连续地提取出所需量血浆。实验结果表明，血细胞池的底部到第二挡板9的上表面的垂直高度分别为0.8mm～1.0mm时能较好的提取出符合要求的血浆。最终确定血细胞池4的底部到第二挡板9的上表面的垂直高度为0.9mm，并通过在盖板2的血细胞池4中设置弧形挡块41来对血细胞池4体积进行微调，此时底板1的血细胞池4的容积为底板1的分离池3的容积的二分之一以下。具体的，挡块41的弧形凹面朝向盖板2的分离池3。弧形挡块41和第二挡板9共同作用，保证了分离时血细胞能顺利地进入血细胞池4，同时在分离结束后，血浆能通过第二挡板9而血细胞被第二挡板9阻挡在血细胞池4内。

所述盖板2的分离反应单元外周设置有密封环11，底板1的分离反应单元外周设置有凹槽，所述密封环11和凹槽相匹配。

盖板2的分离池3和盖板2的反应池5中均开设有通孔7。所述通孔7的直径为3mm。

将盖板1和底板2扣合形成微流控离心盘，此时，盖板2的分离池3外周的凸起11位于底板1的分离池3内，盖板2的血细胞池4外周的凸起11位于底板1的血细胞池4内，盖板2的反应池5外周的凸起11位于底板1的反应池5内，盖板2的废液池6外周的凸起11位于底板1的废液池6内，盖板2的分离池3和盖板2的血细胞池4之间的通道外周的凸起11，以及盖板2的反应池5和盖板2的废液池6之间的通道外周的凸起11，分别位于底板1的分离池3和底板1的血细胞池4之间的通道内以及底板1的反应池5和底板1的废液池6之间的通道内。

通过安装通孔0将微流控离心盘固定在离心机的离心转盘上，将针头对准微流控离心盘盖板2的分离池3上的通孔7并插入，按量注入血液。之后使用每分钟2500转的转速旋转5～10分钟，使得分离后的血细胞进入底板1的血细胞池4内并且被第二挡板9挡住不流回，而血浆通过第二挡板挡9上方的流道流回底板1的分离池3内，此时采集血浆的针头再次通过盖板2的分离池3的通孔7，将分离后的血浆采集出来并通过盖板2的反应池5的通孔7注入到底板1的反应池5内，同时另取一组针头将反应试剂通过盖板2的反应池5的通孔7注入到底板1的反应池5内。之后使用每分钟500转的转速旋转5～10分钟，使反应池5内的血浆和反应试剂充分混合和反应。

由于化学发光需要进行磁分离清洗，一般要清洗4次。每次清洗时先把清洗液加到微流控离心盘的反应池里。接着采用高频正反转的方式进行混匀。然后用磁力将磁珠吸在微流控离心盘底板1的反应池5底部，接着保持一段时间以保证磁珠基本都被吸住，保持磁力，同时微流控离心盘高速旋转将清洗完的溶液用离心力驱动到废液池6中。与现有的微流控化学发光所采用的使用磁珠运动来进行混匀的方案比较，本发明采用高频正反转的方式来混匀，使得混匀更充分且混匀的时间可以缩短。

以上所述之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，并非限制本发明的实施范围，故凡依本发明专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。

Claims (9)

1.微流控离心盘，其特征在于，包括底板（1）和与底板（1）相配合的盖板（2），所述底板（1）和盖板（2）的中心设置有与离心转盘相匹配的安装通孔（0），所述底板（1）和盖板（2）上均周向设置有分离反应单元，所述分离反应单元包括相间设置的分离区和反应区，分离区包括分离池（3）和血细胞池（4），反应区包括反应池（5）和废液池（6），所述分离池（3）和血细胞池（4）之间、以及反应池（5）和废液池（6）之间均设置有通道，分离池（3）和反应池（5）靠近底板（1）和盖板（2）的中心，血细胞池（4）和废液池（6）远离底板（1）和盖板（2）的中心；

底板（1）的分离池（3）、血细胞池（4）、反应池（5）和废液池（6）的上平面均低于底板（1）的上平面；

所述底板（1）的分离池（3）和底板（1）的血细胞池（4）之间的通道上设置有第二挡板（9），底板（1）的反应池（5）和底板（1）的废液池（6）之间的通道上设置有第三挡板（10），所述第二挡板（9）和第三挡板（10）的上平面低于底板（1）的上平面；

盖板（2）的分离池（3）、血细胞池（4）、反应池（5）、废液池（6）以及通道的外周均设置有凸起（12），盖板（2）的血细胞池（4）、反应池（5）、废液池（6）以及盖板（2）的分离池（3）和血细胞池（4）之间的通道的上平面均与盖板（2）的上平面齐平，盖板（2）的分离池（3）的上平面低于盖板（2）的上平面；盖板（2）的反应池（5）和盖板（2）的废液池（6）之间的通道上设置有第一挡板（8），第一挡板（8）中设置有非直线形连通流道（81）；

盖板（2）的分离池（3）和盖板（2）的反应池（5）中均开设有通孔（7）。

2.根据权利要求1所述的微流控离心盘，其特征在于，所述盖板（2）的血细胞池（4）中设置有弧形挡块（41），挡块（41）的弧形凹面朝向盖板（2）的分离池（3）。

3.根据权利要求1所述的微流控离心盘，其特征在于，所述底板（1）的血细胞池（4）的容积为底板（1）的分离池（3）的容积的二分之一以下。

4.根据权利要求1所述的微流控离心盘，其特征在于，所述底板（1）的分离池（3）的底部为斜面，底板（1）的分离池（3）底部朝向底板（1）的中心的一端低于远离底板（1）的中心的一端。

5.根据权利要求1所述的微流控离心盘，其特征在于，所述底板（1）的分离池（3）使用聚多巴胺进行亲水改性。

6.根据权利要求1所述的微流控离心盘，其特征在于，所述通孔（7）的直径为3mm。

7.根据权利要求1所述的微流控离心盘，其特征在于，所述反应池（5）为圆形，盖板（2）的反应池（5）和盖板（2）的废液池（6）之间的连通流道（81）为N字形。

8.根据权利要求1所述的微流控离心盘，其特征在于，所述底板（1）的分离池（3）容积设置为200ul，底板（1）的反应池（5）的容积设置为500ul，底板（1）的废液池（6）容积大于1000ul。

9.根据权利要求1所述的微流控离心盘，其特征在于，所述盖板（2）的分离反应单元外周设置有密封环（11），底板（1）的分离反应单元外周设置有凹槽，所述密封环（11）和凹槽相匹配。

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